SINTESIS BIO-SILIKA (SiO2) DARI SEKAM PADI DENGAN METODE THERMAL DAN APLIKASINYA TERHADAP PENYIMPANAN PRODUK TEPUNG
YOSRA ADI PUTRA
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
1
PENDAHULUAN Latar Belakang Sebagai negara agraris Indonesia merupakan penghasil padi terbesar ketiga didunia dengan total produksi pada tahun 2009 sebesar 64.398.890 Ton dan terus mengalami peningkatan pada tahun 2013 sebesar 71.279.709 ton (Anonim, 2014). Besarnya hasil panen padi di Indonesia menghasilkan limbah yang juga besar dari hasil penggilingan padi. Produksi sekam padi di Indonesia terus mengalami peningkatan dari tahun ke tahun. Sekitar 20% hasil penggilingan padi berupa sekam padi yang belum dimanfaatkan secara maksimal. Berdasarkan jumlah tersebut limbah sekam padi yang dihasilkan di Indonesia pada tahun 2007 mencapai 10,28 juta ton (Murdiyono, 2009). Sedangkan, pada tahun 2013 limbah sekam padi Indonesia meningkat yang mencapai 14, 25 juta ton. Sekam dengan presentase yang tinggi dapat menimbulkan permasalahan lingkungan apabila tidak ditangani dengan baik. Sekam dikatergorikan sebagai biomassa yang dapat digunakan untuk berbagai kebutuhan sebagai bahan baku industri, pakan ternak, alternatif energi dan lain-lain. Sekam padi memiliki kandungan silika yang cukup tinggi berkisar antara 16-20% sehingga dapat dimanfaatkan sebagai salah satu alternatif sumber silika terbarukan dan meningkatkan nilai tambah sekam padi. Beberapa sumber silika alami selain sekam padi dintaranya adalah abu limbah tebu, abu sabut sawit, gandum, bambu, tembakau, dan alga. Sedangkan metode yang digunakan untuk mensintesis silika dari bahan-bahan alami seperti proses carbothermal, carbothermal reduction, metode sol-gel, metode termal dan non termal, dan masih banyak metode lainnya yang mempunyai kelebihan dan kekurangan pada masing-masing prosesnya. Silika dapat diisolasi dari sekam padi secara sederhana dengan cara pembakaran. Namun, tanpa perlakuan pembakaran yang tepat maka abu hasil pembakaran sekam padi hanya akan mengandung silika kristalin yang bersifat membahayakan dan dapat mengganggu kesehatan. Hal ini disebabkan oleh keberadaan senyawa-senyawa pengotor inorganik lainnya, yang mengandung K dan Na yang dapat menurunkan titik leleh silika yang dihasilkan sehingga dapat mempercepat perubahan fasa menjadi kristalin (Umeda, et al., 2009). Zat-zat inorganik dalam sekam padi seperti mineral-mineral dalam jumlah yang sedikit dapat dihilangkan melalui perlakuan dengan asam menggunakan H2SO4, HCl, atau HNO3 (Chakraverty, 1988). Sementara itu, penggunaan asam-asam kuat dapat membahayakan lingkungan dan kesehatan manusia, serta membutuhkan biaya yang tinggi. Penelitian yang dilakukan oleh Umeda dan Kondoh (2008), menggunakan asam sitrat yang merupakan asam organik dan bersifat non-toksik, sehingga penggunaannya lebih aman dan ramah lingkungan dibandingkan dengan asam klorida yang bersifat korosif. Perlakuan dengan asam sitrat dengan konsentrasi
2
5% terbukti dapat menghasilkan silika dengan kemurnian yang tinggi dan bersifat amorf hingga temperatur pembakaran 10000C. Maka dari itu akan digunakan asam sitrat dan asam asetat untuk menghilangkan zat-zat inorganik pada sekam padi. Pada penelitian ini akan dilakukan proses sintesis silika dari sekam padi menggunakan perlakuan asam (asam sitrat) sebelum dilakukan pembakaran pada suhu tinggi. Proses pembakaran secara termal dilakukan pada beberapa temperatur dengan beberapa variasi waktu untuk menghasilkan silika dengan kemurnian yang terbaik. Silika yang dihasilkan kemudian dianalisis morfologinya dengan Scanning Electron Microscopy (SEM), komposisi dan strukturnya dengan Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) dan X-ray Diffraction (XRD). Silika yang dihasilkan diaplikasikan terhadap pengawetan produk tepung untuk melihat pengaruhnya terhadap umur simpan produk tersebut. Diharapkan bubuk silika ini mampu mempertahankan kestabilan kadar air produk pada kisaran yang diharapkan selama penyimpanan serta dapat memperpanjang umur simpan produk tersebut. Tujuan Adapun tujuan umum penelitian ini adalah untuk mengetahui karakteristik bio-silika dan penerapan terhadap produk pangan sebagai bahan pengawet. Tujuan khususnya yaitu: 1. Mempelajari pengaruh perlakuan awal menggunakan asam (asam sitrat), pengaruh proses pembakaran pada sekam padi terhadap kemurnian dan karakteristik silika yang dihasilkan. 2. Mengaplikasikan bio-silika dari sekam padi terhadap produk tepung dan mengamati perubahan selama penyimpanan.
Ruang Lingkup Penelitian ini membahas mengenai karakteristik bio-silika yang dihasilkan dari sekam padi dengan metode termal dengan perlakuan awal menggunakan asam sitrat 5% sebagai penghilang senyawa pengotor dan pengabuan dengan tiga variasi temperatur (5000C, 7500C, dan 10000C) serta variasi waktu (1 jam, 3 jam, dan 5 jam). Selanjutnya karakteristik silika yang diamati merupakan serbuk silika alami dengan karakterisasi fisik dan morfologinya. Silika alami yang dihasilkan diaplikasikan sebagai pengawet produk tepung dengan mengamati perubahan yang terjadi pada tepung selama penyimpanan dan menghitung umur simpan tepung tersebut. Hipotesis dari penelitian ini yaitu semakin tinggu suhu yang digunakan dengan variasi waktu yang tepat maka tingkat kemurnian silika yang dihasilkan semakin baik dan semakin baik sifatnya sebagai pengawet produk pangan. TINJAUAN PUSTAKA
3
Sekam Padi Sebagai Sumber Silika Alami Sekam padi merupakan lapisan terluar dari padi yang merupakan hasil samping dari penggilingan padi bersama-sama dengan dedak dan bekatul. Kandungan sekam
1
padi biasanya sekitar 16-24% dari berat padi kering dapat dilihat pada Tabel 1. Komposisi ini bervariasi antara satu dengan yang lain, hal ini disebabkan oleh perbedaan varietas, latar belakang agronomi, daerah dan cuaca penyediaan contoh serta metode analisisnya (Winarno, 1985). Secara umum, terdapat tiga metode dalam sintesis nanopartikel logam. Metode sintesis tersebut, yaitu sintesis secara kimia, fisika, dan biologi. Sintesis silika secara kimia dan fisika relatif mahal, membahayakan lingkungan, serta membutuhkan perlakuan temperatur, tekanan, dan pH ekstrim (Moghaddam 2010). Pembakaran pada suhu 700-9000C menghasilkan abu sekitar 16-24% dan mengandung silika yang tinggi berkisar antara 87-97% dengan (Enymia, et al., 1998). Tingginya kandungan silika dalam abu sekam padi dapat dimanfaatkan sebagai bahan dasar pembuatan material berbasis silika menggantikan silika yang beredar dipasaran berbahan dasar pasir. Sedangkan Umeda dan Kondoh (2008) melakukan pembakaran sekam padi yang didahului dengan perlakuan dengan asam sitrat dengan konsentrasi 5% terbukti dapat menghasilkan silika dengan kemurnian yang tinggi dan bersifat amorf walau dibakar hingga temperatur 10000C. Tabel 1. Kandungan silika dalam produk samping padi Komponen Silika Sekam 18,0-22,3 % Dedak 0,2-0,3 % Bekatul 0,6-1,1 % Jerami 4,0-7,0 % Sumber: Luh, 1991
Silika yang terdapat dalam sekam ada dalam bentuk amorf terhidrat. Tapi jika pembakaran dilakukan secara terus-menerus pada suhu di atas 650°C akan menaikkan kristalinitasnya dan akhirnya akan terbentuk fasa kristobalit dan tridimit dari silika sekam. Silika merupakan bahan kimia yang pemanfaatan dan aplikasinya sangat luas, mulai bidang elektronik, mekanik, medis, seni dan bidang lainnya (Harsono, 2002). Penggunaan silika sebagai bahan pengawet pada produk pangan diharapkan mampu meningkatkan umur simpannya. Berdasarkan komposisi kimiawi yang terkandung, sekam bisa digunakan sebagai bahan baku pada industri kimia, terutama kandungan zat kimia furfural yang dapat digunakan sebagai bahan baku dalam berbagai industri kimia; sebagai bahan baku pada industri bahan bangunan, terutama kandungan silika (SiO 2) yang dapat digunakan untuk campuran pada pembuatan semen, dan campuran pada industri bata merah. Selain itu, sekam juga bisa digunakan sebagai sumber energi panas, kadar selulosa yang cukup tinggi dapat memberikan pembakaran yang merata dan stabil. Proses Termal (Pembakaran) Penelitian yang dilakukan oleh Harsono (2002), pembuatan silika amorf dengan melakukan pembakaran sekam padi dalam tangki. Menurutnya untuk mendapatkan silika yang reaktif temperatur pembakaran harus terkontrol. Pembuatan silika amorf ini dilakukan dengan terlebih dahulu melalui proses
pengeringan yang bertujuan untuk mengeliminasi kandungan air dalam bahan dengan menguapkan air dalam dari permukaan bahan. Adanya sisa kandungan air dalam abu sekam padi dapat menghalangi proses difusi komponen kimia yang terkandung dalam sekam padi saat dipanaskan pada kemurnian sekam. Sedangkan Chakraverty (1988) melakukan analisis terhadap sekam padi yang dipanaskan dalam tungku pembakaran yang sudah diatur temperatur pembakarannya untuk dibandingkan warna abu yang terbentuk. Hasil pembakaran sekam padi dalam tungku pembakaran dalam temperatur dan waktu tertentu beserta warna abu sekam padi yang dihasilkan semakin rendah temperatur pembakaran maka waktu yang diperlukan untuk menghasilkan abu sekam padi berwarna keputih-putihan menjadi lebih lama. Hal ini dikarenakan pembakaran pada karbon dalam sekam padi pada temperatur yang rendah memiliki kecepatan pembakaran yang rendah. Temperatur yang dikontrol dengan baik dan lingkungan yang sesuai saat pembakaran dapat menghasilkan kualitas abu sekam padi yang lebih baik karena ukuran partikel dan luas spesifik permukaannya dipengaruhi oleh kondisi pembakaran. Sekam padi yang terbakar sempurna akan berwarna abu hingga putih, sementara abu sekam padi yang tidak terbakar sempurna akan berwarna kehitaman (Chakraverty, 1988). Proses Non-termal Isolasi silika dalam sekam padi dapat dilakukan secara non thermal, yaitu dengan menggunakan oksidator kuat seperti hidrogen peroksida atau asam kuat seperti asam sulfat. Suka et al. (2008) melakukan karakterisasi sekam padi dengan metode ekstraksi. Mula-mula sekam padi dipreparasi, sekam padi direndam dalam air panas selama 2 jam dan dicuci berulangulang dengan air panas untuk menghilangkan pengotor organiknya. Kemudian, sekam padi yang telah bersih direndam ke dalam KOH 5% selama 60 menit. Filtrat yang diperoleh diasamkan dengan HCl hingga pH mencapai 7,0. Karakterisasi dengan FTIR, muncul puncak Si-OH, dan Si-O-Si yang menunjukkan adanya gugus fungsi siloksan, yang mengindikasikan bahwa silika sekam padi merupakan silika reaktif. Sifat reaktif silika ini juga didukung hasil karakterisasi menggunakan XRD, yang menunjukkan bahwa silika adalah amorf dengan fase kristobalit. Hasil ekstraksi sekam padi tersebut memiliki kadar silika 40,8% dengan kemurnian sekitar 95,53%.
3
Perlakuan dengan berbagai macam asam, seperti HCl, H2SO4, dan HNO3 secara umum digunakan untuk menghilangkan logam dari sekam padi, akan tetapi zat-zat tersebut terbilang cukup berbahaya bagi lingkungan dan manusia.Penggunaan asam kuat juga membutuhkan biaya yang cukup tinggi untuk peralatan anti korosi, penggunaan air yang banyak untuk membilas sekam padi, dan perlakuan khusus untuk pembuangan limbah. Untuk menghindari hal tersebut, penggunaan asam organik, seperti asam sitrat yang lebih ramah lingkungan, tidak berbahaya bagi manusia, dan lebih ekonomis (Umeda, 2008). Selain itu, metode non thermal sangat jarang dipergunakan karena proses penghilangan senyawa organik dan inorganik pengotor biasanya berlangsung relatif lama sehingga menjadi kurang ekonomis dibandingkan dengan metoda secara thermal. Namun demikian, proses non-thermal menggunakan asam dapat dilakukan sebagai perlakuan awal sekam padi yang akan sangat membantu menghasilkan silika dengan kemurnian yang tinggi. Senyawa-senyawa inorganik harus dihilangkan sebelum pembakaran dilakukan karena dapat menghambat pembentukan silika yang memiliki struktur amorf (Chandrasekhar, 2003; Umeda, et al., 2008). Silika Sebagai Bahan Pengawet Pangan Silikon dioksida, juga dikenal sebagai silika (dari bahasa Latin: silex), adalah ocside silicon dengan rumus kimia SiO2. Telah dikenal sejak zaman dahulu karena kekerasannya. Silika ini paling sering ditemukan di alam sebagai pasir atau kuarsa, serta di dinding sel diatom. Silika adalah aditif yang umum dalam produksi makanan, dimana ia digunakan terutama sebagai agen aliran dalam makanan bubuk, atau untuk menyerap air dalam aplikasi higroskopik. Silika adalah komponen utama dari tanah diatom yang memiliki banyak kegunaan. Silika juga merupakan komponen utama dari abu sekam padi yang digunakan, misalnya, dalam pembuatan filtrasi dan semen (Anonim, 2014). Silika sebagai senyawa yang terdapat di alam berstruktur kristalin, sedangkan sebagai senyawa sintetis adalah amorf. Secara sintetis senyawa silika dapat dibuat dari larutan silikat atau dari pereaksi silan. Silika gel sebagai salah satu senyawa silika sintetis yang berstruktur amorf. Kualiatas yang berkaitan dengan pemanfaatannya ditentukan oleh berbagai faktor, yaitu struktur internal, ukuran partikel, porositas, luas permukaan, ketahanan dan polaritasnya (Sulastri dan Kristianingrum, 2010). Pada umumnya silika dingunakan sebagai media menyerap air dan gas dengan mudah yang biasa disebut dengan silika gel, dimana silika gel ini merupakan salah satu bahan kimia berbentuk padatan yang banyak dimanfaatkan sebagai adsorben. Hal ini disebabkan oleh mudahnya produksi dan juga beberapa
kelebihan yang lain, yaitu: sangat inert, hidrofilik, mempunyai kestabilan termal dan mekanik yang tinggi serta relatif tidak mengembang dalam pelarut organik jika dibandingkan dengan padatan resin polimer organik (Sulastri dan Kristianingrum, 2010). Silika merupakan bahan kimia yang pemanfaatan dan aplikasinya sangat luas mulai dari bidang elektronik, mekanis, medis, seni, dan bidang lainnya. Salah satu pemanfaatan serbuk silika yang cukup luas adalah sebagai penyerap kadar air di udara, sehingga memperpanjang masa simpan bahan dan sebagai bahan campuran untuk membuat keramik (Harsono 2002). Selain itu, silika juga digunakan sebagai penyaring molekuler, resin, pembantu peran katalis, dan pengisi dalam pembuatan polimer (Bansal et al., 2006). Silika gel ini tidak bersifat reaktif terhadap bahan kimia, tidak beracun, dan aman digunakan untuk melindungi makanan, obat-obatan, elektronik, dan lain-lain. Penelitian Terdahulu Penelitian mengenai sintesis silika dari sekam padi telah banyak dilakukan dengan berbagai macam metode, namun pengaplikasian silika dalam bentuk bubuk (serbuk) sebagai pengawet belum dilakukan. Kebanyakan penelitian mengkaji tentang metode yang digunakan, diantaranya adalah Wogo, et al., (2011) sintesis silika gel dengan metode sol-gel; Hadi, et al., (2013) metode presipitasi; Suparman (2010) metode reaksi fasa padat; Umeda, et al., (2008) metode peluruhan dengan asam karboksilat, dan metode lainnya.
METODOLOGI Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian dilakukan pada bulan Maret – Juli 2015 di Laboratorium Departemen Teknologi Industri Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor, Jawa Barat. Bahan Bahan utama sebagai sampel dalam penelitian adalah limbah sekam padi (Oryza sativa L.). Bahan tambahan lainnya yaitu asam sitrat, asam asetat, akuades, tepung, plastik, dan lain-lain serta bahan kimia untuk melakukan analisa. Alat Peralatan yang digunakan dalam penelitian di antaranya adalah tanur peralatan gelas, ayakan 250 μm dan 106 μm, cawan porselin, tanur, pengaduk magnet, neraca analitik, oven, desikator, kertas saring Whatman 42, pH meter, sentrifugasi, hot plate, spektrofotometer, dan peralatan untuk melakukan analisa.
5
Metode Penelitian 1. Persiapan Sampel Persiapan bahan baku sekam padi dengan melakukan proses penimbangan, pencucian dengan air sampai bersih, dan pengeringan. Pencucian dilakukan sebanyak lima kali, empat kali dengan air ledeng dan satu kali dengan air akuades, tujuan pencucian ini adalah untuk menghilangkan zat-zat pengotor berupa debu dan pasir yang menempel pada sekam padi. Kemudian dilakukan pengeringan dengan sinar matahari untuk menurunkan kadar air sekam padi. 2. Isolasi Silika dari Sekam Padi Isolasi silika dalam sekam padi melalui perlakuan awal sekam padi menggunakan larutan asam sitrat. Ekstraksi sekam padi dengan asam sitrat 5% pada temperatur 80 0C selama 15-20 menit. Proses pembakaran pada suhu 350 0C selama 30 menit. Kemudian dilakukan studi variasi temperatur (5000C, 7500C, dan 10000C) serta variasi waktu (1 jam, 3 jam, dan 5 jam) pada proses pembakaran sekam padi yang telah mengalami perlakuan asam (asam sitrat) dengan laju pemanasan 100C. Silika kemudian digerus menggunakan mortar dan diayak menggunakan ayakan 200 mesh. 3. Karakterisasi Silika Silika yang diperoleh dilakukan karakterisasi fisik menggunakan Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) dan difraktometer sinar-X (XRD) untuk mengetahui informasi tentang struktur, komposisi, dan tingkat kristalinitas material, serta uji Scanning Electron Microscopy (SEM) untuk mengetahui morfologi permukaan dari suatu sampel padat. 4. Aplikasi Silika ke Produk Tepung Aplikasi silika alami ke produk bertujuan untuk melihat pengaruh silika sebagai pengawet alami terhadap produk tepung-tepungan. Bubuk silika alami yang dihasilkan dicampurkan ke dalam tepung, kemudian mengamati fenomena yang terjadi terhadap perubahan fisik, kimia maupun mikrobiologi tepung tersebut. 5. Karakterisasi Produk Karakterisasi fisik dilakukan terhadap produk yang meliputi pH, rendemen, dan aw. Karakterisasi kimia meliputi kadar air, abu, protein, lemak, dan karbohidrat, dan karakterisasi mikrobiologi (TPC). DAFTAR PUSTAKA Anonim, Badan Pusat Statistik. 2014, “Produksi Tanaman Padi Indonesia”. Available from: www.bps.go.id. Diakses tanggal 10 November 2014. Anonim,
Wikipedia. 2014.”Silikon Dioksida”. Available from: http://id.wikipedia.org/ wiki/Silikon_dioksida. Diakses tanggal 17 November 2014.
Bansal et al. 2006. Fungus-mediated biotransformation of amorphous silica un rice husk to nanocrystalline silica. J Am Chem Soc 128: 14059-14066. Chandrasekhar,S., Satyanarayana. K. G., Pramada, P.N., and Raghavan,P. (2003) ‘Review Processing, Properties and Applications of Reactive Silica from Rice Husk-An Overview’, Journal of Materials Science.Vol. 38,pp. 3159 – 3168. Chakraverty, A., Mishra, P., and Banerjee, D. (1988) ‘Investigation of Combustion of Raw and Acid-Leached Rice Husk for Production of Pure Amorphous White Silica’, Journal of Materials Science, Vol. 23, pp. 21-24. Enymia, Suhanda dan Sulistiharini, N., 1998. Pembuatan Silika Gel Kering dari Sekam Padi untuk Bahan Pengisi Karet Ban, Jurnal Keramik dan Gelas Indonesia, 7 (182) 1-8. Hadi, I., M. Arsa, dan IW. Sudiarta. 2013. Sintesis Silika Gel Dari Abu Sekam Padi Dan Abu Limbah Pembakaran Batu-Bata Dengan Metode Presipitasi. Jurnal Kimia 7 (1): 31-38 Harsono, H. 2002.Pembuatan Silika Amorf dari Limbah sekam padi. Jurnal Ilmu Dasar, 3(2), 98-103. Luh, B.S. (1991) ‘Rice Utilization’, Second Edition, Vol. 2, Van Nostrand Reinhold, USA. Moghaddam KM. 2010. An Introduction to Microbial Metal Nanoparticle Preparation Method. The Journal of Young Investigators 19:19. Murdiyono, M.N.H. 2009. Studi Perlakuan Alkali Terhadap Kekuatan Impak dan Bending Komposit Serat Rami Bermatrik Polyester dengan Core Sekam Padi Bermatrik Urea Formaldehide. Tugas Akhir Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta. Suka, I. G., W. Simanjuntak. S. Sembiring, dan E. Trisnawati. 2008. Karakteristik Silika Sekam PAdi dari Provinsi Lampung yang diperoleh dengan Metode Ekstraksi. MIPA. Tahun 37, Nomor 1, Januari 2008. hlm. 4752. Sulastri, S dan S. Kristianingrum. 2010. Berbagai Macam Senyawa Silika: Sintesis, Karakterisasi dan Pemanfaatan. Prosiding Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan dan Penerapan MIPA, Fakultas MIPA, Universitas Negeri Yogyakarta, Yogyakarta. Suparman. 2010. Sintesis Silikon Karbida (Sic) dari Silika Sekam Padi dan Karbon Kayu Dengan Metode Reaksi Fasa Padat. [Tesis]. Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian, Bogor.
7
Umeda, J. and Kondoh, K. (2008) ‘High-Purity Amorphous Silica Originated in Rice Husks via Carboxylic Acid Leaching Process’, Journal of Materials Science, Vol. 43(22), pp. 7084-7090. Umeda,J., I. Hisashi, et al. (2009). ‘Polysaccharide Hydrolysis and Metallic Impurities Removal Behavior of Rice Husks in Citric Acid Leaching Treatment’. Transactions of JWRI, Vol 38 (2), pp. 13-18. Winarno, F.G., 1985, Limbah Hasil Pertanian, Kantor Menteri Muda Urusan Peningkatan Pangan, Jakarta Wogo, EM., JO. Segu, PD. Ola. 2011. Sintesis Silika Gel Terimobilisasi Dithizon Melalui Proses Sol-Gel. Jurnal Sains dan Terapan Kimia, Vol.5, No. 1. 84-95
Lampiran 1. Diagram alir pembuatan Silika dari sekam padi
Sekam Padi Air dan akuades
Pencucian
Zat pengotor (debu dan pasir)
Analisis: Kadar abu Kadar silika Analisis morfologi
Pengeringan
Ekstraksi dengan asam sitrat 5% (T=800C, t=15-20 menit)
Pembakaran (T=3050C, Variasi t=30 suhu menit (T=5000C, T=7500C, dan T=10000C) Variasi waktu (t=1 jam, t=3 jam, dan t=5 jam) Pengabuan
Penggerusan dengan mortar Pengayakan dengan ukuran 200 mesh
Bubuk Silika
Karakterisasi: SEM, FTIR, dan XRD
Aplikasi silika ke produk pangan sebagai pengawet alami
Karakterisasi produk
